Лекция 15. Разделения ресурсов каналов передачи
Курс “Теория информации и кодирования”

Здесь мы рассмотрим методы разделения сигналов в общей среде передачи или, как это чаще называют, разделения каналов. Мы познакомимся с методами разделения, которые создавались в первую очередь для телефонии и вещания, а сейчас активно используются для передачи данных в глобальных компьютерных сетях, в том числе в Интернет.


Задачи и направления разделения ресурсов канала
Частотное разделение каналов
Временное разделение каналов
Кодовое разделение каналов

15.1 Задачи и направления разделения ресурсов канала

Общее представление о целях разделения и способах их реализации дает рис.15.1:
  • задачи разделения сигналов в общей среде передачи (или же разделения среды между передаваемыми сигналами) состоят в том, чтобы с одной стороны обеспечить совместную передачу сообщений от нескольких источников, а с другой — эффективно использовать существующие ресурсы каналов. Знакомыми примерами здесь могут служить передача радиовещание (приемник можно настроиться на различные диапазоны частот для получения разных сообщений) или телефонная связь (по мощному междугородному кабелю могут одновременно передаваться разговоры между сотнями и тысячами абонентов). Нам предстоит выяснить, каким образом решаются такие задачи;
  • для разделения сигналов в общей среде используются различные способы, главные из которых — разделение по времени, частоте и уровню сигналов. Для первичного знакомства с ними используем модель сигнала и канала передачи в координатах время — частота — превышение сигнала над помехой, с которой мы знакомились в лекции 10 (рис.15.1). В рамках этой модели сигнал характеризуется временем передачи Tc, шириной полосы спектра ΔFc и превышения уровня полезного сигнала над уровнем помех Lc (графически он отображается параллелепипедом с соответствующими длинами сторон). Если параметры канала позволяют “размещение” нескольких сигналов вдоль соотвествующих осей, то возможна одновременная передача этих сигналов в данной среде — это и называется их разделением;
  • конкретные механизмы разделения таковы. Для разделения по частотое применяется перенос спектров информационных сигналов в различные частотные диапазоны с помощью модуляции. Для разделения по времени можно использовать регулируемую задержку выдачи сигнала в канал (например, поочередно выделять различным источникам интервалы времени для передачи в течение периода поступления их сигналов). Наконец, для разделения по уровню используются сигналы в различных диапазонах величины отношения сигнал/помеха (этот момент наиболее сложен для понимания и в дальнейшем мы рассмотрим его более детально). Ниже мы рассмотрим конкретные реализации каждого из направлений.


Контрольные вопросы
1) Назовите основные задачи разделения сигналов (каналов).
2) Перечислите основные направления разделения каналов
3) Каков основной механизм разделения по частоте
4) Каков основной механизм разделения по времени


15.2 Частотное разделение каналов

Принцип ЧРК-FDM
Принцип частотного разделения каналов ЧРК (англоязычное обозначение FDM— Frequency Division Multiplexing) характеризует рис.15.2:
  • спектры Sk(f) информационных сигналов от N источников переносятся в различные частотные диапазоны за счет модуляции ряда несущих частот fнk. При этом в канал попадает только одна боковая полоса частот ΔFk от каждого источника. Во избежание взаимного влияния сигналов в канале они разделяются некоторыми защитными частотными интервалами;
  • примером применения способа ЧРК может служить аналоговая телефония. Здесь исходный спектр речевых сигналов принято ограничивать частотой 3,4 кГц (что обеспечивает разборчивость речи). С учетом защитных частотных интервалов шаг изменения несущих частот составляет 4 кГц. Такой подход позволяет максимально экономично использовать ресурсы телефонных каналов;
  • еще один пример — радиовещание. Здесь звуковые сигналы с шириной спектра до 20 кГц переносятся в различные полосы частот с учетом используемого частотного диапазона. Как мы помним, ширина полосы спектра зависит от вида модуляции (при ЧМ он значительно шире, чем в случае АМ), однако это не сказывается на самом принципе переноса сигналов в соседние частотные диапазоны за счет ЧРК (рисунок);
  • наконец, ЧРК применялась в системах мобильной телефонии первого поколения, основанных на передаче аналоговых сигналов (80-е годы). При этом для обеспечения высокой помехоустойчивости здесь использовалась частотная модуляция (ЧМ) с относительно широким спектром. В более поздних поколениях мобильной связи используется уже передача цифровых сигналов и, соответственно, другие виды разделения, с которыми мы познакомимся ниже.

Обобщенная схема ЧРК-FDM
Схема уплотнения сигналов по методу ЧРК-FDM показана на рис.15.3:
  • от каждого k-го источника сообщений непрерывный сигнал (например, от микрофона телефонной трубки) поступает на модулятор и налагается на соответствующую несущую частоту fнk, а затем проходит через полосовой частотный фильтр с полосой пропускания ΔFk и через суммирующий элемент попадает в линию связи. На приемной стороне сигнал выделяется соответствующим полосовым фильтром, после усиления восстанавливается демодулятором и поступает на приемник (в частности, в звуковоспроизводящий элемент телефонной трубки);
  • на рис.15.3 показано преобразование спектров сигналов в тракте передачи: после модуляции исходный спектр симметрично отображается относительно несущей частоты; затем полосовой фильтр удаляет одну из боковых полос и несущую; в линии связи сигналы от всех источников располагаются в соседних частотных диапазонах; наконец, полосовой фильтр приемника выделяет из всего множества сигналов только «свой», а демодулятор восстанавливает переданный речевой сигнал, используя известную несущую частоту данного канала.

Каскадное частотное уплотнение
Особенность физической реализации частотного разделения в том, что характеристики его основных элементов связаны с их физическими параметрами и не поддаются настройке. Это касается прежде всего полосовых фильтров. Вместе с тем производство устройств с индивидуальными параметрами значительно дороже. Смягчить проблему позволяет использование многоуровневого каскадного принципа разделения, когда массовое оборудование нижнего уровня может использоваться в различных частотных диапазонов, которые задаются верхними уровнями системы. Рассмотрим его применение на примере ЧРК в системах аналоговой телефонии (рис.15.4):
  • 12 голосовых каналов, которые традиционно называют каналами ТЧ (тональной частоты), образуют так называемый первичный широкополосный канал (ПШК). Его ширина составляет 48 кГц и в аппаратуре телефонной связи он занимает диапазон от 60 до 108 кГц;
  • на базе ПШК строится иерархия частотных каналов: пятерки первичных каналов образуют вторичные каналы ВШК шириной 240 кГц (по 60 каналов ТЧ), а из пятерки ВШК формируется третичный широкополосный канал ТШК шириной 1,2 МГц (300 каналов ТЧ). Такой подход позволяет эффективно использовать каналы различной мощности на основе стандартного оборудования.
    Напомним, что частотное уплотнение используется именно для передачи аналоговых сигналов. Сегодня они повсеместно вытесняются дискретными сигналами.

Контрольные вопросы
1) Используя рис.15.2, охарактеризуйте принцип частотного разделения каналов.
2) Приведите примеры использования ЧРК и назовите соответствующие виды модуляции и ширину спектров передаваемых сигналов
3) Опираясь на рис.15.3, поясните обобщенную схему ЧРК и назначение ее основных элементов
4) По рис.15.3 прокомментируйте преобразование спектров сигналов по ходу выполнения ЧРК
5) Какие задачи решает каскадная организация ЧРК
6) Используя рис.15.4, расскажите о каскадном принципе ЧРК и основных параметрах группировки частотных каналах в системах аналоговой телефонии


15.3 Временное разделение каналов

Принцип ВРК-TDM
Принцип временного разделения каналов ВРК (TDM - Time Division Multiplexing - мультиплексирование с временным разделением) характеризует рис.15.5:
  • в рамках временного разделения каждому из N источников сообщений (на рисунке N=4) предоставляется квант времени для передачи своей порции сигналов в рамках одного цикла. Такая порция называется таймслотом. В простейшем случае k=1. При передаче оцифрованной речи по цифровым телефонным каналам k=8 (1 байт кода для амплитуды речевого сигнала);
  • таймслоты группируются в блоки неизменной длины N. Если в определенный период по некоторым каналам передача не ведется, соответствующие таймслоты остаются пустыми, но время под них все равно отводится. Границы цикла передачи во времени фиксируются с помощью таймслотов цикловой синхронизации. Кроме того могут использоваться дополнительный таймслоты со служебной информацией, относящейся к данному блоку. В общем виде можно считать, что цикл передачи наряду с N информационными каналами включает также m служебных (на рисунке показан случай, где m=1);
  • таким образом, длительность сигналов, передаваемых по каналу, при описанном способе увеличивается в N+m раз (для случая, когда длина служебных таймслотов совпадает с длиной информационных). Соответственно, ширина частотной полосы, выделяемой для передачи, возрастает в N+m раз. В данном случае экономия времени передачи реализуется за счет резерва полосы пропускания канала.

Временное разделение в системах цифровой телефонии
Наиболее широкое применение способ ВРК-TDM нашел в цифровой телефонии (рис.15.6):
  • стандартный речевой канал предусматривает передачу оцифрованной речи с разрядностью кодирования 8 бит и частотой дискретизации 8 кГц. Таким образом битрейт здесь составляет 64 кбит/с, а длина таймслота — 1 байт;
  • согласно Европейскому стандарту ВРК предусматривает объединение 30 голосовых каналов в групповой канал первого уровня Е1 (в США и Японии используют группировку 24 голосовых каналов). При этом наряду с информационными ИК1-ИК30 канал E1 включает также два служебных СК1-СК2, которые используются для синхронизации и подддержки протокола обмена. В целом для канала E1 битрейт составляет 32х64=2048 кбит/с (2,048 Мбит/с), при этом требуемая полоса частот имеет ширину около 2 МГц;
  • каналы первого уровня могут иерарахически группироваться в каналы второго, третьего и четвертого уровней (при этом общее число каналов здесь будет составлять соотвественно 120, 480 и 1920, а величина битрейта и ширина частотной полосы увеличиваются пропорционально). Такой подход, как и в случае многоуровневого ЧРК позволяет унифицировать оборудование для использования каналов различной мощности.

Сравнение ВРК и ЧРК показывает, что последнее значительно экономичнее с точки зрения использования полосы частот. Однако, при этом ВРК обеспечивает значительно более высокую помехоустойчивость за счет использования дискретных сигналов. Кроме того цифровая аппаратура значительно дешевле, в том числе и с учетом ее унификации. Поэтому в современных условиях цифровые каналы передачи вместе с методом ВРК практически вытеснили аналоговую телефонию с частотным разделение. В частности, техника ВРК использовалась в системах мобильной телефонии второго поколения. ЧРК пока сохраняет свои позиции в радиовещании и радиосвязи.

Комбинированное применение ЧРК и ВРК
Важные дополнительные возможности дает комбинированное применение временного и частотного разделения сигналов (рис.15.7):
  • при использовании этого способа в течение временного интервала Tj (“канальный интервал”) для N пар Источников-Получателей выделяются различные частотные каналы Fi. В следующем временном интервале эти частотные каналы перераспределяются (выполняется так называемый “частотный скачек”). Таким образом, для каждого сообщения его различные фрагменты передаются на различных частотах;
  • на рисунке отображен пример последовательности переключения частотных каналов для одной из пар Источник-Получатель в блоке из восьми таких пар (в данном случае для канальных интервалов от 1 до 8 выделяются последовательно частотные каналы 3, 5, 1, 4, 7, 2, 8, 6). Разумеется для других семи пар в те же канальные интервалы выделяются все остальные частотные каналы. Кроме того на рисунке видно, что наряду с основными частотными и временными интервалами предусмотрено использование защитных интервалов по времени и частоте;
  • переключение частотных каналов по ходу передачи сообщения создает дополнительные возможности по защите информации от несанкционированного доступа («злоумышленнику», чтобы получить сообщение целиком, необходимо знать всю последовательность переключений для данной пары источник-Получатель). Чтобы дополнительно усилить такую защиту последовательности переключений могут шифроваться.

Контрольные вопросы
1) Используя рис.15.5, поясните принцип временного разделения каналов.
2) Как влияет использование ВРК на ширину спектра передаваемых в канале сигналов.
3) Опираясь на рис.15.6, охарактеризуйте параметры каскадной организации ВРК.
4) Какими преимуществами ВРК компенсируется значительное расширение используемой частотной полосы по сравнению с системами ЧРК.
5) По рис.15.7 поясните принцип комбинированного применения ЧРК и ВРК.
6) Каким образом комбинированное применение ЧРК и ВРК может обеспечивать защиту от несанкционированного доступа при передаче.


15.4 Кодовое разделение сигналов

Принцип КРК — формирование и распознавание сигналов
Кодовое разделение также применяется при передаче дискретных сигналов и имеет ряд преимуществ перед временным. Принцип кодового разделения сигналов иллюстрирует рис.15.8:
  • исходные сигналы x(t) в биполярной форме умножаются на периодические последовательности с T (t) опорных сигналов (период их следования соответствует такту передачи исходного сигнала). В частности, если передаваемое значение x(t) =+1, то передаваемый сигнал x*(t) совпадает с опорным, если же x(t) =-1, то он инвертирован. Важно, что опорные последовательности индивидуальны для каждого источника разделяемых сигналов;
  • при распознавании полученный сигнал у(t) снова умножается на опорный и для каждого периода вычисляется значение корреляционной функции для «образцов» s T(k) сигнала k=«+1» и k=«-1» (они соответствуют участкам прямой и инверсной последовательности опорных сигналов). Значение принятого сигнала выбирается исходя из условия максимума корреляционной функции (сигнал больше похож на данный образец). При этом, если принимается сигнал от “чужого” источника, для которого опорные последовательности отличаются от данного, то корреляция с “образцами” будет отсутствовать и такой сигнал не распознается;
  • таким образом, способ кодового разделения позволяет выделять полезные сигналы данного информационного канала из смеси множества сигналов, присутствующих в точке приема. Поскольку прием выполняется по принципу накопления, полезный сигнал можно выделить даже на фоне более мощных помех (собственно, сигналы от других источников информации также можно рассматривать как помехи). Платой за такую возможность является многократное расширение спектра передаваемых сигналов. Поэтому данный способ применим, когда широкая полоса канала в принципе является доступной. Например, такому условию отвечает передача в эфире. В связи с этим способ КРК получил широкое применение в мобильной связи.

Принцип КРК — выбор опорных последовательностей
Важной задачей для обеспечения кодового разделения является выбор опорных последовательностей для разделяемых сигналов (рис.15.9):
  • для обеспечения оптимальности распознавания необходимо, чтобы передача от других источников минимально влияла на прием сигналов от данного источника. Это достигается в случае, когда соответствующие опорные последовательности взаимно ортогональны. Для их построения используются так называемые матрицы Адамара, чьи строки отвечают требованию ортогональности;
  • процедура построения матриц Адамара итеративна: исходная матрица H2 из двух строк и столбцов включает три «1» и «-1» в правом нижнем углу. По такому же шаблону последовательно могут быть постороены матрицы H4 из четырех строк и столбцов, H8 размером 8х8 и последующие варианты матрицы с размерностью кратной степени двойки. Поскольку строки таких матриц взаимно ортогональны, все они могут быть использованы в качестве опорных последовательностей при кодовом разделении;
  • на рис.15.9 показан пример использования в качестве опорной последовательности строки с номером 2 матрицы Адамара H8. При передаче с ее использованием значения исходного сигнала «+1» значение соотвествующей корреляционой функции максимально Kxy(+1) = 8 (именно такой сигнал и будет распознан). При этом для альтернативного значения сигнала Kxy(+1) = - 8 (минимально). А для всех прочих строк матрицы в силу их взаимной ортогональности Kxy=0 (на рисунке приведены примеры для строк 1 и 3);
  • в случае возникновения даже нескольких ошибок при передаче величина корреляционной функции все равно будет ближе к верному значению и ошибки не произойдет. Таким образом, данный способ приема сигналов (а соответственно и способ КРК) обладает значительным резервом помехоустойчивости.

Преимущества метода КРК
Достоинства кодового разделения характеризует рис.15.10:
  • метод КРК обеспечивает более высокую плотность пользователей в заданной полосе частот по сравнению с предыдущими вариантами разделения (в этом смысле говорят о его более высокой спектральной эффективности). Это можно сравнить с использованием многополосного шоссе в вариантах, когда за автомобилем закреплена определенная полоса (ЧРК и ВРК) или автомобили могут менять полосу по ходу движения. Очевидно, что второй подход позволяет повысить плотность движения;
  • более высокая гибкость в распределении ресурсов канала проявляется в том, что с ростом количества активных пользователей постепенно нарастает взаимное влияние каналов передачи и вероятность возникновения ошибок. В свою очередь, ухудшение условий передачи ограничивает активность пользователей. Таким образом проявляется эффект саморегулирования;
  • использование для передачи слабых «шумоподобных» сигналов, которые со стороны воспринимаются как помехи, маскирует само наличие передачи и делает ее более защищенной от несанкционированного доступа. Чтобы обнаружит передачу нужно знать код опорной последовательности сигналов данного канала;
  • с другой стороны, слабые сигналы КРК не мешают передаче других сигналов в той же частотной полосе, что дает возможность наложить их «поверх» уже существующих. Это, в частности, позволяет при внедрении технологии кодового разделения сохранить неизменной передачу предыдущего поколения, использующую ВРК.

Эти преимущества метода кодового разделения делают его наиболее прогрессивным на сегодняшний день. В частности, данный метод используется в системах мобильной связи последнего поколения.

Контрольные вопросы
1) Опираясь на рис15.8, поясните принцип кодового разделения сигналов
2) Почему применение КРК позволяет использовать для передачи слабые сигналы
3) Используя рис.15.9, поясните принцип построения матриц Адамара. Каким образом такие матрицы могут использоваться для реализации КРК
4) Самостоятельно воспроизведите пример приема сигналов КРК при использовании 4-й строки матрицы и попытки приема данных, соответствующих 5-й строке
5) Перечислите и поясните основные преимущества метода КРК.
О дисциплине ТИК
Почему «Теория информации и кодирования» - одна из самых интересных дисциплин, которые изучают будущие системщики и защитники информации?

В ней сочетаются золотая классика и самая актуальная современность computer-science.

продолжение
О сайте
Здесь вы найдете материалы, которые помогут в изучении дисциплины “Теория информации и кодирования” (ТИК) в том виде, как она преподается на кафедре ЭВМ ДИИТа.

На сайте размещены методические материалы:
  • электронный конспект лекций;
  • методическое обеспечение к лабораторным работам;
  • полезные ссылки.

продолжение
© 2008-2013 • Теория информации и кодирования
UP